- 學習自適應單純太陽能路燈控制器的設計
- 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計特點及功能
- 采用PWM充電控制功能
- 采用合理的蓄電池充放電策略
大陽能路燈以其無需鋪設電纜，不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點得到了廣泛認可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高，可靠性不穩(wěn)定，、比如電池往往不到一年就需要更換，不僅提高了后期維護的費用，而且增加了客戶的消費成本，也造成了資源浪費。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短，冬天有效光照時間短，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性，其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要完成對蓄電池的充、放電、調(diào)光和路燈的開、美控制，以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進行及時和有效地保護，保證照明時間，確保可靠性，有效延長電池壽命，降低成本。
1 太陽能路燈控制器的主要設計要求和發(fā)展階段
太陽能路燈控制器的技術(shù)和質(zhì)量的主要要求有：
1）供電系統(tǒng)，根據(jù)太陽能路燈蓄電池板特性，要設計成恒流輸出：
2）過充，過放保護；
3）具有系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功能；
4）建立網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；
5）根據(jù)市場要求，產(chǎn)品模塊化。
太陽能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段：第一代功能比較簡陋，開關(guān)燈控制需要外接光敏感應器，定時時間不可設置，沒有電池保護電路，系統(tǒng)壽命非常短暫，很快就被市場淘汰：第二代在第一代的基礎上，設置了電池保護電路，通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數(shù)據(jù)，通過開關(guān)或程序設置定時，技術(shù)上有了階躍式的發(fā)展，逐漸被市場接受：第三代路燈控制器在于多數(shù)商家采用了PWM充電控制功能，對蓄電池進行涓流充電，有效延長了電池壽命，降低了使用成本，從而進一步擴大市場占有率。
一個好的控制器可以彌補甚至解決純太陽能路燈的諸多問題，提高其呵靠性。白適應太陽能供電路燈需要開發(fā)第四代控制器，它的特點是具有白適應燈的功率調(diào)節(jié)功能，電量檢測和剩余電量計算是必備的：同時具有組網(wǎng)功能，這樣可以保持整條街的路燈亮度一致，并可以進行通訊。
2 自適應單純太陽能供電路燈控制器的設計
日前各種現(xiàn)代控制理論，如白適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制理論和算法也大量應用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。其中自適應控制太陽能供電路燈控制器設計是值得推進的技術(shù)。
2.1設計目標
白適應單純太陽能供電路燈的設計目標：主要針對支路和供行人和非機動車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈，對于南風能供電或風光互補的路燈系統(tǒng)本設計同樣適合：由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設計標準的嚴格性，單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設計更為復雜，如系統(tǒng)控制需要太陽能和市電切換，則在本設計的基礎上進行精簡就好了。目標地點位于北京市內(nèi)。
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2.2 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計特點及功能
白適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案的宗旨：通過精確控制，達到降低成本，提高可靠性的日的。主要具有以下幾個特點及功能（以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例）：
1）MPPT電路
根據(jù)太陽能路燈蓄電池板的特性，如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近，則太陽電池在整個工作過程中近似日標在最大功率點處，太陽能電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率最高。利用PWM技術(shù)并通過對負載穩(wěn)壓來實現(xiàn)對LED的恒流，從而保證了LED的可靠使用141.采用意法半導體公司的MPPT專用芯片SPV1020.跟蹤效率可達98%,能量轉(zhuǎn)換效率為95%.理論上，使用MPPT技術(shù)會比傳統(tǒng)方法效率提高50%,實際測試中，由于周圍環(huán)境影響與各神能量損失，最終的效率也可以提高20%-30%.
2）過充過放保護
采用充電限壓，電池溫升檢測策略，如蓄電池電36 V,充電截止電壓42.5-43 V,充電截止溫度80℃，充電截止溫升30℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時通過對電池電壓的數(shù)據(jù)實時采集，利用軟件控制對電池采取限壓保護：通過實時計算電池電量進行防過充過放保護，電量為100%時停止充電，電量為20%時停止放電，為延長其壽命，做了第二道防線。圖1 為蓄電池過充保護流程圖。
圖1 蓄電池過充保護流程圖
3）智控開關(guān)，實時監(jiān)測，預警功能
進行太陽能路燈電池板電流檢測，蓄電池電壓檢測，蓄電池電量監(jiān)測，以及環(huán)境溫度的檢測，采用光開時關(guān)，并實時上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數(shù)據(jù)，預警故障，保證系統(tǒng)的可靠性。圖2為太陽能路燈的開、關(guān)控制流程網(wǎng)。
圖2 路燈的開、關(guān)控制流程圖
[page]4）亮度的自適應調(diào)節(jié)
通常太陽能路燈廠家為了保證連續(xù)陰雨天的正常工作，只一味地加大蓄電池容量，一般蓄電池的容量可達電池板容量的5倍，其實這樣做并不能解決問題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根據(jù)當前地理位置，季節(jié)，時間，氣象條件，光的輻射量，浮塵濃度，工作環(huán)境以及剩余電量，自適應調(diào)節(jié)燈的亮度，合理分配能量。由于設計為純太陽能供電，不考慮雙電源情況，所以要想提高系統(tǒng)可靠性，唯一的方案就是犧牲燈的亮度。
根據(jù)當天用電前的剩余電量和當天的充電量來進行白適應調(diào)節(jié)，在保證正常照明的同時，使電池的工作點長期保持在高電位，并且使充放電深度在30%以下，根據(jù)電池循環(huán)壽命曲線，可以延長電池壽命4-5倍，有效降低太陽能路燈的成本，提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。
2.2.1 電池電量檢測
1）電量檢測的算法
大量的實驗數(shù)據(jù)表明，電池老化時蓄電池的內(nèi)阻與電荷之間有較高的相關(guān)性（0.88左右），蓄電池完全充電和完全放電時的內(nèi)阻相差2-4倍，所以通過測量電池內(nèi)阻可較準確地檢測電池電量。
2）建立內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線
為了得到實時剩余電量值，要建立一個電量和內(nèi)阻之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。
以時間為標準，就可以建立起內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線，然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內(nèi)阻，電量以及循環(huán)周期的關(guān)系式。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線如
圖3所示，剩余電量隨著內(nèi)阻的增大而成指數(shù)趨勢減小。
圖3 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線
3）在線檢測電量
在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量，采用交流壓降內(nèi)阻測量法測得內(nèi)阻值，通過查做好的數(shù)據(jù)表，并進行數(shù)據(jù)校正，得到對應的電量值。
給電池施加一個固定頻率和固定電流（日前一般使用l kHz頻率、50 mA小電沆），然后對其電壓進行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內(nèi)阻值。圖4為在線測量剩余電量硬件框圖。
圖4 在線測量剩余電量硬件框圖
2.2.2充電量計算
充電量是通過太陽能電池板接收輻射強度和電池板面積計算得到的。太陽能電池板接收輻射強度為單日輻射強度與sin a的乘積，其中a為正午太陽輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計算部分的內(nèi)容，并且經(jīng)過優(yōu)化得到的。
2.2.3剩余電量計算
通過計算電流在時域上的積分，可得出電量變化值，在路燈工作前檢測到的電池電量作為初始電量，則剩余電量為初始電量減去電量變化值。同時通過對MPPT電路的輸出電流做積分，作為電量變化的校正值，從而得到較準確的剩余電量值。圖5為剩余電量計算流程圖。
圖5 剩余電量計算流程圖
[page]1）Zighee無線通訊系統(tǒng)連網(wǎng)
保證整條路的路燈的開，關(guān)時間一致，馬路亮度均勻，保證駕駛安全，避免駕駛員視覺疲勞；實時傳送數(shù)據(jù)，進行遠程監(jiān)測和控制：在線軟件升級，降低維護及調(diào)試成本：待機睡眠，降低系統(tǒng)功耗。將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用于蓄電池牛產(chǎn)過程中的充放電參數(shù)檢測中，將極大地提高產(chǎn)品測試的靈活性和可靠性，對提高蓄電池牛產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義問。
2）模塊化可擴展性
設計的控制器的供電系統(tǒng)可以是模塊化的，設計采用恒流充電方式，所以電池板可擴展，LED模組可根據(jù)系統(tǒng)功率進行并聯(lián)擴展。
根據(jù)如上計算，具體設計框圖如圖6所示，為太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架。圖7為太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖。
圖6 太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架
圖7 太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖
3 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案模擬
開關(guān)燈的時間根據(jù)天安門升降旗時間而定，如表1所示，全年最長點燈時長茌12月為14.52小時，最短為9.13小時。照明時間分為3個時段，第一個時段從當天天安門降旗時刻開始，為5個小時，第二個時段到早上5點，第三個時段從5點到滅安門升旗時刻，燈光亮度各時段權(quán)重比為5:2:3,如果以100 W光源為設計標準，則光源功耗最大為1.068 5 kW-h。
表1 照明策略基準參數(shù)
圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得m的各月太陽能電池板面積排列柱形罔，從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點處2月的畫積值，太陽電池板面積為2.2 IT12.蓄電池為115 Ah.這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時間，剩下的15%為過放，不過要給白適應調(diào)節(jié)留下一個調(diào)節(jié)余量，所以選擇以2月數(shù)據(jù)計算fn的太陽能面積的值，即2.216 2 m2,過放的情況為3個月，過放比率為25%,從而有100/e的調(diào)節(jié)空間。
圖8 各月太陽能電池板對應面積排列柱形圖
4 結(jié) 論
白適應單純太陽能供電路燈控制器的設計，實現(xiàn)了以MPPT電路為控制核心的智能太陽能路燈控制器，具有外圍電路簡單，可靠性高的特點，實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，實現(xiàn)算法簡單，既提高了太陽能電池板的使用效率，又延長了蓄電池的使用壽命，對于個別過分欠充、過充燈根據(jù)問題加大、減小電池板面積，更換電池或燈珠，根據(jù)每盞路燈的實際情況靈活調(diào)整其配置，可使每盞燈都工作在最佳狀態(tài)，不但保證了正常照明，而且避免了資源浪費，也降低了產(chǎn)品造價，具有一定的參考和推廣應用價值。
